Riassunto analitico
La Bioelettronica Organica è un settore multidisciplinare emergente, basato sull’impiego della piattaforma tecnologica dell’Elettronica Organica. Il suo scopo è fornire nuove soluzioni a problemi di natura medico-biologica. I dispositivi più utilizzati in Bioelettronica Organica sono i Transistors Organici a effetto di campo (OFET dall’inglese “Organic Field-Effect Transistors”). Tra questi vi sono Transistors Organici funzionanti in liquido (EGOFET dall’Inglese “Electrolyte-Gated Organic Field-Effect Transistors”), che sono stati impiegati con successo come sensori specifici per bassissime concentrazioni di neurotrasmettitori [Casalini, et al. 2013], di biomarcatori infiammatori come interleuchine, di glucosio [Shim, et al. 2009] oppure di frammenti di DNA [Kergoat, et al. 2012]; sono anche stati usati come sensori di pH [Kofler, et al. 2014] e di penicillina [Buth, et al. 2012] e come bio-trasduttori in vitro [Cramer, et al. 2013] e in vivo [Williamson, et al. 2015]. La possibilità recentemente dimostrata di implementare tali architetture su substrati completamente biocompatibili [Irmia, et al. 2010] o biodegradabili [Campana, et al. 2013], li rende candidati ideali per dispositivi elettronici impiantabili per applicazioni terapeutico-diagnostiche in ambito medico-biologico, a breve o lungo termine per un’ampia gamma di patologie.
Le caratteristiche chiave di questi dispositivi sono:
1) Il basso costo di produzione, dovuto alla natura dei materiali utilizzati (composti organici molecolari o polimerici) ed alla tipologia dei processi produttivi;
2) La versatilità applicativa e la pressoché illimitata possibilità di ingegnerizzazione dei materiali;
3) La possibilità di ottenere dispositivi biocompatibili, flessibili e conformabili.
Nel corso di questa tesi sono state coltivate cellule di neuroblastoma umano SH-SY5Y, ovvero una linea cellulare universalmente accreditata come modello fenotipico neuronale [Biedler, et al. 1973], su superfici tecnologicamente interessanti per la Bioelettronica Organica. In particolare, elettrodi d’oro con diverse morfologie superficiali e modificati mediante tecniche di funzionalizzazione superficiale, sono stati caratterizzati con microscopia a forza atomica (AFM, Atomic Force Microscopy) e misurazione dell’angolo di contatto con acqua. E’ stato quindi studiato l’effetto di ciascuna superficie su parametri cellulari quali l’adesione cellulare (valutata mediante microscopia ad immuno-fluorescenza) e la vitalità cellulare (attraverso il saggio dell’MTT uptake).
I risultati ottenuti mostrano come sia possibile ottenere colture cellulari vitali su tutte le funzionalizzazioni superficiali analizzate. Questo apre la strada allo sviluppo di nuove architetture di EGOFET mirate alla trasduzione diretta dei potenziali di campo evocati da reti neuronali.
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Abstract
Organic Bioelectronics is an emerging multidisciplinary field based on the technological platform of Organic Electronics. Its aim is to provide unprecedented solutions to biomedical problems. Organic Bioelectronics is based on the Organic Field Effect Transistor (OFET), which can also be operated in liquid environment, obtaining the so-called Electrolyte-Gated Organic Field-Effect Transistor (EGOFET). Such devices have been successfully demonstrated as ultra-sensitive specific biosensors for very low concentrations of neurotransmitters [Casalini, et al. 2013] and pro-inflammatory markers such as interleukins, different concentrations of glucose [Shim, et al. 2009] or DNA fragments [Kergoat, et al. 2012], pH [Kofler, et al. 2014] and penicillin sensors [Buth, et al. 2012], and as Bio-transducers in vitro [Cramer, et al. 2013] and in vivo [Williamson, et al. 2015]. Recently, the possibility to implement biodegradable semiconductors [Irmia, et al. 2010] and biodegradable substrates [Campana, et al. 2013] paves the way towards implantable electronic devices for therapeutic and in vivo diagnostic applications, for both short- or long-term treatment of a wide range of target diseases.
The key features of these devices are:
1) Low production cost, due to the nature of the materials (molecular or polymeric organic compounds) and to the processing techniques;
2) Versatility and almost unlimited tailoring possibility;
3) Biocompatibility, flexibility and conformability.
During this thesis SH-SY5Y human neuroblastoma cells, universally accepted as neuronal phenotype model [Biedler, et al. 1973], were cultured onto surfaces relevant to Organic Bioelectronics, in particular on gold electrodes exhibiting different surface morphologies and modified by different surface functionalization techniques. After characterizing the various surfaces by both atomic force microscopy (AFM) and contact angle measurements, the effect of each surface on cellular parameters such as cell adhesion (Immuno-fluorescence microscopy) and cell viability (MTT-uptake assay) was evaluated.
The results show that it is possible to culture viable neuronal cells on all these substrates, opening the way towards EGOFET-based device architecture for the direct transduction of field potentials evoked by networks of neuronal cells.
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